物质转化图的意义与教学刍议

徐志强

摘要：物质转化图跟工艺流程图、实验流程图、反应原理图等不同，其核心内容是“物质转化”，涉及物质相继进行的多步化学反应。物质转化图具有多方面的功能，在中学化学教学中出现和应用是必要的，应该比工艺流程图应用得更多，在初中化学教学中需要注意把握好应用的度。在应用物质转化图的教学中，需要注意抓好物质转化图的分析、生成和应用3个环节。介绍了有关的教学实例。

关键词：物质转化图；功能与意义；教学实例；化学教学

文章编号：1005–6629（2017）2–0084–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

物质转化图是化学教科书表征知识的一种重要方式，它以引发学生对有关知识的正确认知、概括和表征为任务。从总体上看，物质转化图在中学化学教学特别是化学习题中有明显增加的趋向，其直接原因一定程度上在于物质转化图在高考、中考试题中频频出现。物质转化图有必要在中学化学教学中出现和应用吗？我们应该怎样进行物质转化图的教学？这是需要深入思考、探讨的两个问题，也是本文着重讨论的主题。

1 物质转化图的界定与分类

物质转化图跟工艺流程图、实验流程图、反应原理图等是不同的，其核心内容是“物质转化”，涉及物质相继进行的多步反应过程，表征时图中各个节点都是物质名称或化学式而不是工艺或设备名称。把表征物质转化关系的图称为“流程图”是不准确的，但是物质转化关系图不一定能反映物质转化的具体步骤和过程，例如图1就属于这种情况。

因此，物质转化图可以细分为物质转化关系图和物质转化流程图。前者侧重于表征转化关系，后者侧重于表征转化过程。图1是典型的物质转化关系图。

至于工艺流程图、实验流程图，它们不具有物质转化图的上述特点，突出的是工艺或操作处理过程甚至设备、仪器，而不是物质的转化关系。反应原理图往往是以主要化学反应的化学方程式为核心添加其他内容形成的。下面图2、图3、图4都不属于物质转化图。

2 物质转化图的功能与意义

2.1 直观、扼要地表征和概括物质的化学变化关系

物质转化图能表征物质的转化关系，特别是复杂的化学变化关系。

例如，中学化学涉及的化学反应规律内容主要有单质、氧化物、酸、碱、盐等各类物质相互变化的规律。图1正是直观地概括各类物质的化学变化关系的典型例子之一。

化学方程式是用化学式和特定符号表述化学反应事实的式子，但不是所有的化学反应都可以用化学方程式来表述的。如对于物质发生多步转化的复杂化学反应的表述，用化学方程式不是过于繁琐就是根本无能为力。此时改用物质转化图往往令人有一目了然、重点突出、简洁明快之感。

例如，图5清晰、扼要地表明了海水提镁的主要步骤：

2.2 综合表征物质转化条件、控制与操作等过程知识

在中学化学教学中，物质转化图能够表征物质的转化过程及其步骤、条件甚至仪器设备和操作等重要“细节”，引导学生从反应步骤、反应条件等角度具体地认识并理解物质反应的规律和特点，也有助于使学生置身于真实的学习环境中。

例如，图6综合表征了实验室摸拟侯氏制碱法的条件、控制与操作等知识。

2.3 增加对实际的了解，增强化学知识应用能力

新课程非常重视化学跟社会实际的联系，而物质转化流程图比较适合用来描述社会生产实际中的化学过程，自然有助于帮助学生了解实际生产中的物质转化关系，增强他们应用化学知识的能力。

例如，图7可以使学生增加對海水资源进行综合利用，从海水中提取NaCl、Na2CO3、Mg等物质的了解。

2.4 有助于学生构建知识网络，把孤立、零散的物质知识联系起来

物质转化图能够把本来孤立和零散的物质联系起来，构建知识网络，形成一个有意义的整体，也有助于学生在此基础上进一步形成物质相互联系、相互转化的观念，进而更深刻地认识客观的物质世界，体会到化学的深层次魅力，提升化学学习的乐趣。

比如初三化学“碳”是物质知识中很重要的一个板块。在教学中，可以引导学生构建图8所示的知识网络，使有关物质的变化关系一目了然，提高学习的效率。

该图可以清楚地呈现如何实现石灰石到石灰水的转化，还可以引发对碳酸钙、碳酸氢钙跟碳酸（二氧化碳和水）的相互转化关系的学习、探究。

2.5 有助于学生形成整体思考、过程思考和上位思考的习惯

总之，物质转化图在中学化学教学中出现和应用是必要的。由于中学化学具有基础性，特别是初中化学具有启蒙性质，不宜太复杂，物质转化图应该比工艺流程图应用得更多。

就本质而言，物质转化图只是一种工具、一种载体，它的应用决定于课程标准规定的内容，其复杂程度受到内容的制约，一般不会出现过度、滥用的问题。但对于初中化学教学来说，仍然需要注意把握好应用的度。

3 物质转化图的教学

在应用物质转化图的教学中，需要注意抓好物质转化图的分析、物质转化图的生成和物质转化图的应用3个环节。

3.1 物质转化图的分析

物质转化图的分析需要解决3个基本问题：物质转化图所涉及的物质转化系统是什么？该系统的起始物质、终结物质是什么？经历了哪些中间步骤？对每一个步骤来说，则需要弄清楚反应物、生成物是什么？怎样实现这个化学变化？需要哪些特殊的反应条件、仪器设备和操作？3个问题逐级提升，能使学生由浅入深地了解物质转化的原理，厘清物质之间的联系，了解关联的实验操作。

3.2 物质转化图的生成

物质转化图最好用逐步生成的方法呈现给学生，尽量避免一次性成图。物质转化图越复杂，就越要注意这个问题。在呈现时，最好遵循由主到次、由简单到复杂、由原理到操作的次序。

了解具体的化学变化和实验操作，会用化学方程式表示整个反应过程，是物质转化分析的基础。如果学生的这些知识基础不太扎实，在进行物质转化图分析之前应该作必要的“补课”。

3.3 物质转化图的应用

下面通过两个教学实例来说明物质转化图的应用。

3.3.1 物质制备的流程转化分析——以石灰石制备较为纯净的碳酸钙为例

碳酸钙含有钙，可以作为补充人体内钙质的食品营养强化剂，还可以用作发酵促进剂、抗结块剂、增白剂、配制食品的疏松剂以及牙膏中的摩擦剂等。但是，在用作食品添加剂时，必须按照国家标准严格控制杂质含量、用量和粒度（不可太粗）。

石灰石是比较容易找到的廉价原料，怎样才能把它转变成比较纯净的碳酸钙粉末，从而使之用于生产中并为生活服务呢？在课堂教学中，首先请学生回忆曾经学过的含碳物质的转化图，然后请学生思考化学反应过程，写出有关反应的化学方程式。

学生经过讨论，列出如下的反应过程：

在此基础上，请学生思考如何用方框和箭头表示方法一的转化流程图。学生设计的转化流程图如图9、图10、图11。

接着引导学生从绿色化学的角度讨论上述物质转化图的不同之处以及可取之处，思考二氧化碳和水的循环使用，充分利用物质资源，以此完善流程分析。经过这样的分析，学生就会弄清楚流程分析所涉及的原理，知道物质转变过程可以用箭头表示，以及在这个流程分析中涉及的相关实验操作。

3.3.2 混合物分离和提纯的转化流程分析

物质转化的流程分析，更多地表现出来的是将混合物中的不同物质分离出来或者将杂质转化为主要成分，以此提高其纯度。分离和提纯作为重要的方法，不仅在化学研究中具有重要意义，在化工生产中也同样具有十分重要的作用。

物质分离和提纯在选择试剂和实验操作应满足几个要求：提纯后的物质成分不变；不能损耗或减少被提纯物质的质量；实验过程和操作方法简单易行；用化学方法除去溶液中的杂质时，为使被分离的物质或离子尽可能除净，若需要加入过量的分离试剂，在多步分离过程中，后加的试剂应能够把前面所加的无关物质或离子除去。

在初中阶段，对于无机物常用下列方法分离和提纯：

（1）过滤-结晶法。例如氯化钠固体的提纯，就可以采取溶解、过滤、蒸发结晶的方法实现。

（2）生成沉淀法。例如NaCl溶液里混有少量的MgCl2杂质，可加入过量的NaOH溶液，使Mg2+离子转化为Mg（OH）2沉淀（但引入新的杂质 OH-），过滤除去Mg（OH）2然后加入适量盐酸，调节pH为中性。

关于物质的分离，可以借鉴“金属的化学性质”实验中对留下的含有硝酸银、硝酸铜的废液处理：实验小组先在废液中加入过量的铁粉，充分反应后过滤得到银、铜和铁的混合物。他们设计了如图12所示方案从银、铜、铁的混合物中分离回收银和铜，并得到硫酸亚铁晶体（提示：银在受热的情况下不发生变化）。

引导学生思考图12所示流程中哪些试剂的加入必须要过量以及必要的实验操作，归纳本流程中涉及的知识点（反应原理），书写有关的化学方程式。要在课堂上让学生能够理解这个背景下涉及的流程分析的明线和暗线、起点和落脚点。明线为废液的处理和回收；暗线为金属的活动性顺序、金属的性质、酸碱盐的性质；起点为科学探究的方法；落脚点为基本的实验操作技能、化学用语、对实验方案的分析评价。

关于物质的提纯，向学生展示除去氯化钾样品中含有的杂质氯化钙和氯化镁的流程图（见图13）并组织讨论。

除去氯化鈣和氯化镁其实是除去什么离子？加入过量的KOH溶液的目的是什么？X溶液是什么？除去什么离子？根据图13所示流程，回忆过滤和蒸发操作分别有哪些注意点？以上这些问题，都是我们在分析流程图时，需要引起重视的问题，也是我们进行流程图分析的本意所在。学生讨论结果：用过量的氢氧化钾溶液除去氯化镁；用过量的碳酸钾溶液进一步除掉氯化钙；最后加入过量的盐酸除去过量的氢氧化钾溶液和过量的碳酸钾溶液。

4 几点思考

在物质转化流程分析的过程中，应注重对知识的理解与运用，通过抽象、简化、假设对知识综合运用与实践重组能力的培养，提升学生思维品质以及处理问题意识。通过创设制取、分离、除杂等不同的问题情境，让学生感受化学特有的研究和呈现方式——物质转化图，并体验物质转化图的建构过程，为学生最终形成物质转化观奠定基础。围绕物质转化流程，通过问题链的研讨，层层深入逐步加深对物质转化流程方法及操作技能的认识。

参考文献：

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